孫建忠，張 凱，王詩琦，孫斐然

（大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

0 引 言

近年來，由于開關(guān)磁阻電機(jī)有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可靠性高、調(diào)速范圍寬、可高速運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，吸引了越來越多的注意力，并已成為變速驅(qū)動(dòng)器和伺服驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域的熱門研究對(duì)象，應(yīng)用前景十分廣泛［1］.但是開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，通常轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的典型值為15%左右.由轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)導(dǎo)致的噪聲問題以及特定頻率下的諧振問題也較為突出.目前較為有效地抑制開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法是以瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩作為控制對(duì)象，根據(jù)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的偏差來調(diào)整功率器件導(dǎo)通的直接轉(zhuǎn)矩.而在直接轉(zhuǎn)矩控制方法中，對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的測量和計(jì)算是控制方法中的重要環(huán)節(jié).

有學(xué)者提出通過有限元分析法計(jì)算電機(jī)的磁化曲線，進(jìn)而測量開關(guān)磁阻電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，但是該方法計(jì)算極為復(fù)雜，建模較為困難.文獻(xiàn)［2］提出直接測量磁鏈法，但是該方法需要在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)裝入磁傳感器，使電機(jī)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，并且成本增加.文獻(xiàn)［3］提出直接測量電感法，但該方法需要在電機(jī)繞組中加入交流脈沖信號(hào)，因而導(dǎo)致測量方法復(fù)雜化，且測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率得不到保證.

本文以LabVIEW 和美國NI公司的數(shù)據(jù)板卡為基礎(chǔ)，開發(fā)一個(gè)開關(guān)磁阻電機(jī)瞬態(tài)特性測量系統(tǒng).基于本系統(tǒng)，用戶可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、相電壓和相電流等瞬態(tài)特性的瞬時(shí)測量，并可在終端客戶機(jī)上進(jìn)行同步波形及數(shù)值的顯示并進(jìn)行存儲(chǔ)，亦可以通過瞬時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)控制，間接完成DITC要求，即通過虛擬儀器方式完成電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩的控制.

虛擬儀器技術(shù)是由美國國家儀器公司提出的一種構(gòu)成儀器系統(tǒng)的概念，其基本思想是：用計(jì)算機(jī)資源取代傳統(tǒng)儀器中的輸入、處理和輸出等部分，實(shí)現(xiàn)儀器硬件核心部分的模塊化和最小化；用計(jì)算機(jī)軟件和儀器軟面板實(shí)現(xiàn)儀器的測量和控制功能.LabVIEW是美國國家儀器公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，其采用圖形化編程方式，并提供眾多的源碼級(jí)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和多種多樣的分析和表達(dá)功能.

1 瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩測量原理

開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行要遵守“磁阻最小原理”.所謂磁阻最小原理，即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合.當(dāng)定子某繞組通電時(shí)，所產(chǎn)生的磁通由于磁力線的彎曲而對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生切向力矩，試圖讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到磁阻最小的路徑位置，即是轉(zhuǎn)子極與定子極對(duì)齊的位置.由于開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)非線性特性，一般通過磁共能計(jì)算轉(zhuǎn)矩［4－5］.

開關(guān)磁阻電機(jī)的電壓平衡方程由下式表示：

式中：U為一相的繞組電壓；R為繞組的電阻；i為繞組上的電流；dψ（θ，i）為繞組上的磁鏈，它與轉(zhuǎn)子位置角θ和電流i成非線性關(guān)系.

上式寫成偏微分的形式可以轉(zhuǎn)化為

式中兩側(cè)同乘以電流，得到功率方程表達(dá)式為

電源的有功功率

其中e＝v－Ri.

在時(shí)間dt內(nèi)，電源的有功功率所做功的微分可以表示為

式（5）可以轉(zhuǎn)換為

式中：dWm為機(jī)械能的微分，dWf為磁場能量的微分.

磁場能量dWf又可表示為

磁場儲(chǔ)能dWe可以寫為

由式（7）～（9）可得

考慮開關(guān)磁阻電機(jī)的高度飽和現(xiàn)象，根據(jù)極限法，可以得出在開關(guān)磁阻電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)任一點(diǎn)α處的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩為

2 硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，開關(guān)磁阻電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩測試系統(tǒng)由SR 電機(jī)、電流電壓變送器、旋轉(zhuǎn)編碼器、數(shù)據(jù)采集卡外設(shè)、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)等部分組成.

本系統(tǒng)采用的是NI公司生產(chǎn)的PCI－6250多功能數(shù)據(jù)采集卡，它的主要技術(shù)指標(biāo)為

（1）模擬電壓輸入范圍±10V；

（2）模擬通道輸入數(shù)：16路單端輸入／8路差分輸入；

（3）2個(gè)計(jì)數(shù)器／定時(shí)器；

（4）采樣率：1.25 MS／s；

（5）高達(dá)16bit的分辨率；

（6）板上自帶4 095字內(nèi)存.

本系統(tǒng)中將開關(guān)磁阻電機(jī)每相上的電壓和電流信號(hào)通過電流電壓變送器，將采集信號(hào)按照一定比例轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)采集卡量程可采的電流信號(hào)，將信號(hào)與接線盒SCB－68相連，并通過68針的纜線，將接線盒與計(jì)算機(jī)PCI插槽上的數(shù)據(jù)采集卡相連.在采集信號(hào)與數(shù)據(jù)采集卡之間加入數(shù)字濾波器，保證了采集信號(hào)的準(zhǔn)確性.

在測量電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度時(shí)，采用歐姆龍的E6B2－CWZ6C型號(hào)正交編碼器將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集卡可采集的脈沖數(shù)，具體參數(shù)為電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，正交編碼器發(fā)出2 000個(gè)脈沖信號(hào)，通過對(duì)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)即可測量電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度.

其主要硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of the hardware system

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用NI公司的LabVIEW 作為編程平臺(tái)［6］.開關(guān)磁阻電機(jī)瞬態(tài)特性測試系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）采集每相電壓電流信號(hào)和轉(zhuǎn)速信息，并計(jì)算出瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩；

（2）對(duì)電機(jī)瞬時(shí)參數(shù)在LabVIEW 前面板中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；

（3）對(duì)采集和計(jì)算的瞬時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)，并可在線打印報(bào)表.

3.1 流程圖設(shè)計(jì)

程序采用循環(huán)查詢方式，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描讀取，并在程序中使用LabVIEW 提供的DAQ 助手將數(shù)據(jù)分別送到計(jì)算單元中進(jìn)行瞬態(tài)特性的計(jì)算，并把結(jié)果送到前端顯示分析.具體流程圖如圖2所示.

3.2 用戶界面設(shè)計(jì)

用戶界面（前面板）是虛擬儀器的重要組成部分，儀器參數(shù)的設(shè)置、測試結(jié)果顯示等功能都是通過軟件實(shí)現(xiàn)的，因此要求軟件界面簡單直接，便于使用.本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的用戶界面如圖3所示.用戶可根據(jù)需要設(shè)置采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)，并可根據(jù)前面板實(shí)時(shí)觀察數(shù)據(jù)的變化和轉(zhuǎn)矩的波形.

圖2 程序系統(tǒng)的流程圖Fig.2 Diagram of the program system

3.3 程序框圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要求進(jìn)行連續(xù)不間斷的采集，同時(shí)要求實(shí)時(shí)顯示波形和數(shù)值，實(shí)時(shí)存盤，并運(yùn)用開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法計(jì)算瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩特性.系統(tǒng)采用模塊化分層法設(shè)計(jì)，共分為參數(shù)設(shè)置模塊、采集模塊、參數(shù)計(jì)算模塊和數(shù)據(jù)管理模塊.

（1）系統(tǒng)通過參數(shù)設(shè)置模塊，可以設(shè)置采樣率、采樣數(shù)、采樣范圍等參數(shù).

（2）數(shù)據(jù)采集模塊采用6路差分模式模擬輸入通道和1個(gè)計(jì)數(shù)器，模擬輸入通道分別對(duì)相電流進(jìn)行電流和電壓的數(shù)據(jù)采集，計(jì)數(shù)器通過對(duì)正交編碼器輸出脈沖數(shù)的計(jì)數(shù)，測算出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度.

（3）參數(shù)計(jì)算模塊把采集的轉(zhuǎn)角信息計(jì)算成轉(zhuǎn)速信息，并結(jié)合相電流的電流和電壓值計(jì)算出電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩值.

（4）數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢.測試數(shù)據(jù)以excel數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)，提供查詢、歷史記錄顯示、數(shù)據(jù)測試報(bào)告打印等功能.主要程序框圖如圖4所示.

圖3 系統(tǒng)的用戶界面Fig.3 The user interface of the system

圖4 程序框圖Fig.4 The block diagram of program

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在完成系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)之后，進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與分析.

本文以一臺(tái)三相12／8極開關(guān)磁阻電機(jī)為例，進(jìn)行系統(tǒng)瞬態(tài)特性測試.開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩值由準(zhǔn)確的電壓、電流和轉(zhuǎn)子位置計(jì)算得出，本系統(tǒng)通過多通道實(shí)時(shí)對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行電壓、電流、位置信號(hào)等的實(shí)時(shí)測量和計(jì)算，通過調(diào)節(jié)負(fù)載變化，得出三相12／8極開關(guān)磁阻電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)矩的三維關(guān)系圖如圖5所示，圖中x軸為轉(zhuǎn)子位置，y軸為相電流，z軸為電機(jī)轉(zhuǎn)矩值.

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的基于LabVIEW的開關(guān)磁阻電機(jī)瞬態(tài)特性測試系統(tǒng)很好地完成了對(duì)電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩特性的測量和計(jì)算，并進(jìn)行了實(shí)時(shí)的顯示，完成了對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)瞬態(tài)特性進(jìn)行采集和存儲(chǔ)的要求.

圖5 轉(zhuǎn)矩與電流和轉(zhuǎn)子的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.5 Torque versus current and rotor position

5 結(jié) 論

本文對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)瞬態(tài)特性測試方法進(jìn)行了研究，并基于LabVIEW 對(duì)測試方法設(shè)計(jì)一種測試系統(tǒng)，為傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制、控制過程中抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、減小噪聲等問題的解決和優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支持.該測試系統(tǒng)密切結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，程序簡單易懂，設(shè)備采購方便，易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)瞬態(tài)特性的研究以及電機(jī)的實(shí)際控制具有較好的參考價(jià)值.

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